KR20020078325A - 스퀴드를 이용한 저잡음 광대역 전류증폭기 - Google Patents

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KR20020078325A
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Abstract

본 발명은 저잡음 광대역 전류증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중이완발진 스퀴드(double relaxation oscillation SQUID)를 이용하며, 이중이완발진 스퀴드의 자속-전압 변환계수가 크므로 자속변조 및 임피던스 매칭회로가 필요 없어 구동회로를 간단히 할 수 있음과 동시에 대역폭과 슬루잉 속도(slewing rate)를 높일 수 있는 것이다.

Description

스퀴드를 이용한 저잡음 광대역 전류증폭기{low-noise wide-bandwidth current amplifier using SQUID}
본 발명은 저잡음 광대역 전류증폭기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중이완발진 스퀴드(double relaxation oscillation SQUID)를 이용하며, 이중이완발진 스퀴드의 자속-전압 변환계수가 크므로 자속변조 및 임피던스 매칭회로가 필요없어 구동회로를 간단히 할 수 있음과 동시에 대역폭과 슬루잉 속도(slewing rate)를 높일 수 있는 저잡음 광대역 전류증폭기에 관한 것이다.
도 1은 한개의 직류스퀴드를 사용하여 전류펄스를 증폭하는 종래의 일실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서, 초전도박막(2)에 x-선(5)이 입사되면 초전도박막(2)의 저항증가에 따른 전류펄스(7)를 측정하므로써 x-선 에너지의 검출이 가능하다. 전류펄스(7)를 증폭하기 위해 도 1에 도시된 대로 한 개의 직류스퀴드(1)를 사용하여 증폭한다. 이러한 직류스퀴드(1)는 자속-전압 변환계수가 매우 작으므로, 직류스퀴드(1)신호를 측정하면 구동회로(10)에 의한 잡음이 우세하여 직류스퀴드(1)의 고감도 특성을 잃어버린다. 따라서, 이러한 직류스퀴드(1)의 감도를 유지하기 위해 임피던스 매칭회로인 저항(8)과 변압기(9)를 사용하며 스퀴드 구동은 위상민감검출방법을 사용해 왔다.
도 2는 도 1에서 개시한 한 개의 직류스퀴드를 사용한 후, 직렬연결된 다수의 직류스퀴드를 사용하여 전류펄스를 증폭하는 종래의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 도 1과 동일참조번호를 갖는 구성은 동일한 기능을 한다. 도 2에서, 한개의 직류스퀴드(1)로 전류펄스(7)를 증폭한후 직렬로 연결된 다수개의 직류스퀴드들(12)로 다시 한번 증폭하는 과정을 거쳐 구동회로(13)에 연결한다. 이렇게 다수개의 직류스퀴드들(12)을 직렬연결하면 자속-전압 변환계수를 증가시킬 수 있으므로, 구동회로(13)에 의한 잡음을 줄이고 대역폭과 슬루잉 속도를 증가시킬 수 있다.
이러한 종래의 전류증폭기에 사용되는 하나의 직류스퀴드로 증폭하는 경우에 필요한 임피던스 매칭회로와 자속변조방식 및 위상민감검출방법은 스퀴드 구동회로를 복잡하게 하며, 자속-전압변환계수가 작아서 측정할 수 있는 대역폭과 슬루잉 속도를 충분히 높일 수 없었다. 따라서, 미세한 전류펄스의 증폭에 필요한 광대역 전류증폭기를 구성하기 곤란하였다. 이에 비해, 다수의 직류스퀴드를 직렬연결하여 증폭하는 경우에는 하나의 직류스퀴드로 증폭하는 경우보다 대역폭과 슬루잉 속도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 다수의 직류스퀴드를 직렬 연결하므로 자속트랩이 발생할 가능성이 높고 동일한 특성을 갖는 직류스퀴드를 제작하기 어려운 문제가 있다. 또한, 변조코일과 스퀴드 사이의 상호 인덕턴스와 스퀴드의 동작조건이 모두 같아야 하며 다수의 직류스퀴드를 사용함에 따라 전력소모가 큰 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 구동회로를 간단히 하기 위해 자속-전압변환계수가 큰 이중이완발진 스퀴드를 사용하며, 구동회로를 간단히 할 수 있음과 동시에 대역폭과 슬루잉 속도(slewing rate)를 높일 수 있는 저잡음 광대역 전류증폭기를 제공함에 있다.
도 1은 한 개의 직류스퀴드를 사용하여 전류펄스를 증폭하는 종래의 일실시 예를 설명하기 위한 도면,
도 2는 한 개의 직류스퀴드를 사용하여 전류펄스를 1차 증폭한 후, 직렬연결된 다수의 직류스퀴드를 사용하여 2차 증폭하는 종래의 다른 실시 예를 설명하기 위한 도면,
도 3은 이중이완발진스퀴드의 등가회로도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전류증폭기 구동회로의 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 직류스퀴드 2 : 초전도박막
3 : 입력코일 4 : 바이어스 저항
5 : x-선 6 : 직류전류
7 : 전류펄스 8 : 임피던스 매칭회로의 저항
9 : 임피던스 매칭회로의 변압기 10 : 구동회로
11 : 변조코일 12 : 직렬연결된 다수의 직류스퀴드
13 : 구동회로 14 : 신호스퀴드
15 : 조셉슨접합 16 : 기준접합
17 : 이완발진회로의 저항 18 : 이완발진회로의 인덕터
19 : 직류바이어스전류 20 : 직류전단증폭기
21 : 적분기 22: 귀환저항
23 : 귀환코일
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저잡음 광대역 전류증폭기는 이중이완발진 스퀴드 방식을 이용하고 신호스퀴드와 동시에 기준접합을 채택하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
도 3은 이중이완발진스퀴드의 등가회로도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전류증폭기 구동회로의 개략도이다.
도 3에서 초전도박막(2)과 병렬로 바이어스저항(4)이 연결되어 있고, 초전도박막(2)은 전류펄스(7)를 발생시키며 이 전류펄스(7)는 입력코일(3)을 통해 신호스퀴드(14)에 자속신호로 전달된다. 신호스퀴드(14)는 기준접합(16)이 직렬로 연결되어 있고, 이와 병렬로 저항(17)과 인덕터(18)가 연결되며, 조셉슨접합(15)이 사용된다. 이때, 기준접합(16)의 면적을 신호스퀴드(14)에 사용된 조셉슨접합(15)의 전체면적의 70-80%범위로 하고 출력전압을 기준접합양단에서 측정하도록 한다.
이러한 이중이완발진 스퀴드를 이용한 전류증폭기를 도 4의 구동회로도를 참조하여 설명한다.
도 4에서, x-선펄스(5)가 초전도박막(2)에 입사되면 초전도박막(2)의 온도가 상승하여 저항값이 증가한다. 초전도박막(2)과 병렬로 연결된 바이어스저항(4)에 직류전류(6)를 인가한다. 여기서, 바이어스저항(4)의 저항값을 초전도박막(2)의 저항값에 비해 충분히 작게하면(예를들면, 1/10이하)초전도박막(2)은 전압바이어스로 동작한다. 따라서, 초전도박막(2)의 온도 즉, 저항값을 일정하게 유지할 수 있다. x-선펄스(5)에 의해 초전도박막(2)의 저항변화가 10μs내외의 폭을 가진 전류펄스(7)를 발생시킨다. 이 전류펄스(7)는 입력코일(3)을 통해 신호스퀴드(14)에 자속신호로 전달되는데 전류펄스에 비례하는 스퀴드출력을 측정함으로써 x-선펄스(5)의 에너지를 알 수 있다. 이중이완발진 스퀴드는 직류인가전류(19)를 인가하며, 이때 기준접합(16) 양단에서 직류전단증폭기(20)를 사용하여 스퀴드 출력전압을 검출한다. 출력전압은 신호스퀴드(14)에 가해지는 자속신호에 따라 변하며 자속-전압 변환계수가 종래의 직류스퀴드에 비해 10배 이상 크다. 따라서, 실온의 직류전단증폭기(20)로 스퀴드 출력전압을 직접 검출할 수 있고, 자속변조나 위상민감검출회로 없이 적분기(21)와 귀환저항(22), 및 귀환코일(23)만으로 귀환회로를 구성할 수 있으므로 전류증폭기의 구성 및 동작이 간편하다. 측정할 수 있는 대역폭과 슬로잉 속도는 스퀴드의 자속-전압변환계수에 비례하므로 이중이완발진 스퀴드를 사용함으로써 종래의 직류스퀴드에 비해 대역폭과 슬루잉 속도를 높일 수 있다.
이러한 전류증폭기를 이용한 최적의 실험결과치를 보면, 신호스퀴드(14)의 인덕턴스를 110 pH, 기준접합(16)의 임계전류가 21 μA일 때 자속-전압 변환계수를 직류 스퀴드의 약 50배 수준인 2-5 mV/Φ0를 얻었다(Φ0는 자속양자). 직류인가전류(19)와 직류전단증폭기(20)를 사용한 간단한 구동회로를 사용하여, 입력코일(3)의 인덕턴스가 112 nH이고, 입력코일(3)과 신호스퀴드(14)와의 상호 인덕턴스가 3.2 nH일 때 100 Hz에서 2 pA/√Hz의 매우 우수한 전류잡음값을 얻었다.
본 발명은 스퀴드 구동회로를 간단히 하고 측정 대역폭 및 슬루잉 속도를 증가시켜 전류증폭기의 동작을 용이하게 하는 효과를 제공한다.

Claims (2)

  1. 스퀴드를 이용한 저잡음 광대역 전류증폭기 구성에 있어서,
    이중이완발진 스퀴드 방식을 이용하고 신호스퀴드와 동시에 기준접합을 채택하는 것을 특징으로 하는 저잡음 광대역 전류증폭기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 기준접합의 면적을 신호스퀴드에 사용된 조셉슨접합의 전체면적의 70-80%범위로 하고 출력전압을 기준접합 양단에서 측정하는 것을 특징으로 하는 저잡음 광대역 전류증폭기.
KR1020010018669A 2001-04-09 2001-04-09 스퀴드를 이용한 저잡음 광대역 전류증폭기 KR20020078325A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7388371B2 (en) * 2006-04-14 2008-06-17 Korea Research Institute Of Standards And Science Method for controlling characteristics of double relaxation oscillation SQUID with reference junction
US7453263B2 (en) * 2006-05-09 2008-11-18 Korea Research Institute Of Standards And Science Reference current optimizing apparatus for controlling magnetic flux-voltage conversion characteristic of double relaxation oscillation squid

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